Platinenoberseite

NiMHLader

Dies ist ein Spaßprojekt und erfüllt keinen praktischen, nur akademischen Nutzen!

Datenpaket NiMHLader.rar mit ca. 730kB.

Längere Zeit über schon habe ich mich gefragt, ob es nicht sinnvoll ist, sich einen eigenen Akkulader zu bauen. Das erscheint vielleicht unsinnig, da es bereits volle Wühltische solcher Geräte gibt. Leider versprechen diese Geräte viel und halten wenig. Ist ja auch klar: Ein Gerät, das 10,–€ kostet und vier Akkus laden kann, muß aus Taiwanesien, Koreanien oder sonst woher aus Billiglohnländern kommen. Die Technologie, die hierin angewandt wird, ist höchst primitiv (Konstantstromladung, vielleicht auch noch ohne Ladeschlußerkennung) und belastet einen Akku unnötig. Die tatsächliche Kapazität einer Zelle bleibt unbekannt und der Innenwiderstand wird nicht gemessen – geschweige denn angezeigt. Zeit, ein eigenes Gerät zu entwickeln!

Bedarfsanalyse

Begonnen habe ich, wie immer bei Entwicklungen, mit einer Bedarfsanalyse. Zuerst sollte das ja eine Studie werden, also konnte man das Gerät auf einen Akku auslegen (was in der Praxis unsinnig ist). Es sollten sowohl Mignon als auch MicroAkkus mit Kapazitäten bis wenigstens 3Ah bedient werden können (habe selbst etliche 2,8AhAkkus). Außerdem sollte es sich um ein Tischgerät handeln, das nicht direkt ans Stromnetz angeschlossen wird, sondern seine Energie z.B. von einem ohnehin mitlaufenden PC bezieht.

Um die erwünschten Daten wie Akkuspannung, strom, kapazität und Innenwiderstand anzuzeigen, bedarf es einer Anzeige. Ich wählte ein Flüssigkristallanzeigemodul von 40×2 Zeichen Größe, das ich noch in meiner Bastelkiste ’rumfliegen hatte. Um nun die Anzeige nicht zu überfrachten und eine ansprechende Benutzerführung einzubauen, sollte die Steuerung über ein Menü vonstatten gehen. Vier Tasten habe ich dazu vorgesehen: Menü, Minus, Plus und Eingabe.

Das Gerät sollte in der Lage sein, einen eingelegten Akku zu erkennen, sodaß man keine Taste drücken braucht. Ausnahme ist ein vollständig defekter Akku, soweit er einen extrem hohen Innenwiderstand hat. Das ist durchaus selten. Im Regelfall machen die Akkus (z.B. durch Auskristallisieren des Elektrolyten oder thermischer Überlastung) einen Kurzschluß. Es soll der Akku, wenn er denn noch Restladung haben sollte, erstmal entladen werden. Erst dann darf er wieder geladen werden. Dies ist übrigens die größte Sünde, die man einem NiCdAkku aus einem schnurlosen Telefon oder einem Akkuschrauber antun kann: teilweise entladen und dann wieder in die Ladeschale stellen. Diese Sorte Akkus hat einen GedächtnisEffekt, sodaß er fortab nurmehr diese geringere Kapazität hat und dann schlappmacht. Soweit die Ladung fertig ist, soll das Gerät auf Erhaltungsladung umstellen, bis der Akku entnommen wird. Erkannt wird der Status Akku voll, wenn die Akkuspannung etwas sinkt. Das ist das DeltaPeakPrinzip.

Das Laden geschieht mit der bewährten Reflexlademethode. Gerade sie ist bekannt dafür, Akkus besonders gut zu formieren. Das Geheimnis daran ist einfach: Es wird zwar mit sehr hohem Strom (1C) geladen, sekündlich aber mit einem kurzen, sehr starken Entladestromstoß eventuell anwachsende Kristalle zerstört. Dadurch schwankt die Zellenspannung bei folgender Entladung weit weniger und die Kapazität kann wesentlich besser ausgeschöpft werden. Zudem dissoziiert kaum Wasserstoff aus dem Elektrolyten ab und kann den Zelleninnendruck und dessen Temperatur auch bei weitem nicht so stark erhöhen. Folge ist, daß die Zelle mit einem (!) Coulumb geladen werden kann, ohne dabei als schnelladetauglich ausgewiesen sein zu müssen.

Eine Hintergrundbeleuchtung der Anzeige darf auch noch spendiert werden – und da wir im µC einen PWMZeitgeber haben, kann die Helligkeit einstellbargemacht werden. Um die Helligkeit beim nächsten Betrieb des Gerätes nicht wieder neu einstellen zu müssen, lege ich das Datum im EEPROM ab, das ohnehin im µC vorhanden ist.

Die Lade und Entladeschlußspannungen werden einmal über das Menü programmiert und ebenfalls im EEPROM abgelegt. Die aktuell gemessenen Akkuspannungen und ströme ergeben durch einfache Arithmetik den Innenwiderstand, aufsummierte Ströme über die Zeit die Kapazität.

Die Spannungsversorgung erfolgt mittels der nach außen geführten 12VLeitung eines PCs. Alternativ kann man selbstredlich auch ein separates Netzteil nehmen.

Praktische Umsetzung

Die Firmware des Mikrokontrollers erscheint als nicht zeitkritisch, weswegen sie größtenteils in C geschrieben werden kann. Da C allerdings (aus langjähriger Erfahrung und im Widerspruch zu den vollmundigen Aussagen CBegeisterter) keineswegs nahezu ebenso effizient ist wie Assembler, könnte der zur Verfügung stehende Programmspeicherplatz des µC knapp werden. Ich habe vorsorglich einen Typ mit 16kB Flash vorgesehen, dessen Platz tatsächlich ausgeschöpft wird. Wollte man noch mehr Programm in den µC pressen, wäre man mit der Nachentwicklung auf einen 16 oder 32Bitter bessergestellt! Hier erwäge ich, einen kleinen ARM wie den LPC2103FBD48 zu prüfen (Schukat am 14.6.2009, 1erPreis: 3,–€, 10erPreis: 2,50€). 8Bitter mit >16kB haben einfach ein zunehmend schlechtes Preis/Leistungsverhältnis, verglichen mit 32Bittern, die ja schon bei Reichelt und Co. verschleudert werden.

Die Ausführungen auf dem Schaltplan sind klassisch. Die OPs brauchen eine symmetrische Betriebsspannung, die aber kaum belastet wird. Es bietet sich eine Ladungspumpe an, die durch den µC höchstselbst angetrieben wird. Die Abfrage der Tasten geschieht durch einen ADCKanal. Das erspart drei weitere Anschlüsse an den µC und die Leiterbahnverlegung. Außerdem ist das schnell genug und den ADC brauchen wir sowieso. Die Flüssigkristallanzeige wird aus denselben Gründen mit nur 4 Bits bedient.

Um einen Akku mit bis zu 3A zu laden, bedarf es eines schnell programmierbaren Stromreglers. Da mir kein solcher auf die Schnelle in die Hand gefallen ist, bilde ich ihn einfach mit einem programmierbaren Spannungsregler IC1 und nachgeschaltetem MOSFET T1 nach. Die Regelschleife für einen konstanten Ladestrom schließt der µC IC3. Damit nun nicht >70% Wirkungsgrad in Form von Wärme aufgehen, gibt es Schaltregler. Ich wählte einen sehr weit verbreiteten Typ von National Semiconductors. Den habe ich erstmal programmierbargemacht. Dessen Ausgangsspannung stelle ich mittels µC so ein, daß über dem MOSFET T1 eine kleine, aber konstante Regelreserve von ca. 200mV verbleibt.

Alle weiteren Ausführungen darüber sind zur Genüge in der Anleitung zu diesem Projekt enthalten, die sich im Datenpaket findet. Der Schaltplan samt Platinenzeichnung ist mit Target erstellt. Wer dieses Programm nicht hat oder kennt oder will oder was auch immer, findet nochmals die Daten in Form zweier PDFs – freilich ohne Maßhaltigkeit o.ä.. Die Bauteilliste darf für einen Besteller auch nicht fehlen. Die Firmware habe ich mit CodeVision geschrieben, dem meines Wissens nach günstigsten kostenpflichtigen CCompiler für Atmels AVR8Reihe auf dem PC. Viel Spaß mit dem Programmpaket!

Wie auch in der Anleitung geschrieben, möchte ich gerne einen eBrief erhalten (s. Kontakt), wer dieses Projekt nutzt.


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